第7章頻率調制與解調061120

1、第7章 頻率調制與解調 第第7章章 頻率調制與解調頻率調制與解調 7.1 調頻信號分析調頻信號分析 7.2 調頻器與調頻方法調頻器與調頻方法7.3 調頻電路調頻電路7.4 鑒頻器與鑒頻方法鑒頻器與鑒頻方法 7.5 鑒頻電路鑒頻電路 第7章 頻率調制與解調 u 熟練掌握頻率調制的原理與實現(xiàn)。熟練掌握頻率調制的原理與實現(xiàn)。u熟練掌握頻率鑒頻的原理。熟練掌握頻率鑒頻的原理。u 熟掌握頻率調制的原理與實現(xiàn)熟掌握頻率調制的原理與實現(xiàn)。學習目的重點難點第7章 頻率調制與解調 7.1 調頻信號分析調頻信號分析 角度調制角度調制(angle modulation)：頻率調制頻率調制(frequecy modu

2、lation)和和相位調制相位調制(phase modulation)。頻率調制：頻率調制：調頻信號的調頻信號的頻率頻率與與調制信號調制信號成成正比正比，振振幅恒定幅恒定。調頻信號的解調。調頻信號的解調鑒頻鑒頻。相位調制：相位調制：調相信號的調相信號的相位相位與與調制信號調制信號成成正比正比，振振幅恒定幅恒定。調相信號的解調。調相信號的解調鑒相鑒相。第7章 頻率調制與解調 7.1.1 7.1.1 調頻信號的參數(shù)與波形調頻信號的參數(shù)與波形設調制信號設調制信號: : u(t)=Ucost 未調載波信號：未調載波信號： uC=UCcosct調頻信號的調頻信號的瞬時角頻率瞬時角頻率：( )( )( )

3、cosccfcmttk utt(71) 第7章 頻率調制與解調 Kf：比例常數(shù)。比例常數(shù)。 最大角頻偏最大角頻偏。調頻信號的瞬時相位調頻信號的瞬時相位 ： ：信號的起始角頻率。：信號的起始角頻率。不妨設不妨設 =0，則有：，則有：Ukwfm00( )( )ttd （72） 0( )( )sinsin( )tmccfctdttt mtt （73） 0)(t0第7章 頻率調制與解調 調頻指數(shù)：調頻指數(shù)： FM波的表示式為波的表示式為mfmsin( )cos(sin)RefejmtjtFMCcfCutUt mtU ee (74) 第7章 頻率調制與解調 三個重要的參數(shù)：三個重要的參數(shù)：Kf：調頻靈敏

4、度。調頻靈敏度。最大角頻偏最大角頻偏(frequency deviation)： ；最；最大頻偏：大頻偏： 。衡量信號。衡量信號頻率受調制程度的重要參數(shù)。頻率受調制程度的重要參數(shù)。調頻指數(shù)調頻指數(shù)mf：mw2/mmwfUkwfmFfwmmmf/第7章 頻率調制與解調 7.1.2 調頻波的頻譜、帶寬和功率調頻波的頻譜、帶寬和功率調頻波頻譜：調頻波頻譜：由許多分量組成：由許多分量組成：wc， ，即由即由載波頻載波頻率率和和對稱的邊頻對稱的邊頻。各頻率幅度取決于調制指數(shù)各頻率幅度取決于調制指數(shù)mf。帶寬帶寬：所有的頻率范圍。但無實際意義。：所有的頻率范圍。但無實際意義。 nwc第7章 頻率調制與解調

5、 調頻波的帶寬公式：調頻波的帶寬公式： Bs=2(mf+1)F=2(fm+F) （711)更準確的調頻波帶寬計算公式為更準確的調頻波帶寬計算公式為 2(1)sffBmmF（712） CLFMURP221調頻功率為：調頻功率為：結論：結論：調頻波的平均功率等于載波的平均功率，調頻波的平均功率等于載波的平均功率，即總功率不變，只是分配到邊頻即總功率不變，只是分配到邊頻。第7章 頻率調制與解調 7.1.5 調頻波與調相波的比較調頻波與調相波的比較 1調相波調相波調相波：調相波：瞬時相位瞬時相位以未調以未調載波相位載波相位c為中心為中心按按調制信號規(guī)律變化調制信號規(guī)律變化的等幅高頻振蕩。的等幅高頻振蕩

6、。u(t)=Ucost，并令，并令0=0，則，則調相波的調相波的瞬時相瞬時相位：位： (t)=ct+(t)=ct+kpu(t) =ct+mcost=ct+mpcost 第7章 頻率調制與解調 調相信號調相信號： uPM(t)=UCcos(ct+mpcost)調相波的最大相偏調相波的最大相偏(phase deviation)：mp=kpU調相波的瞬時頻率調相波的瞬時頻率最大頻偏：最大頻偏：( )( )sinsincpcmdttmttdt Ummwppm第7章 頻率調制與解調 調相信號帶寬：調相信號帶寬： Bs=2(mp+1)F (719) 調頻與調相異同分析調頻與調相異同分析。 圖圖79 調頻與

7、調相的關系調頻與調相的關系 FM積分調相u(a)PM微分調頻u(b)第7章 頻率調制與解調 結論：結論：角度調制角度調制是是非線性調制非線性調制：在單頻調制時會出現(xiàn)：在單頻調制時會出現(xiàn)（cn）分量，在多頻調制時還會出現(xiàn)交叉調分量，在多頻調制時還會出現(xiàn)交叉調制（制（cn1k2+）分量。）分量。調頻的頻譜結構與調頻的頻譜結構與mf密切相關。密切相關。mf大大，頻帶寬頻帶寬。 角調方式與角調方式與AM制相比，有兩點優(yōu)勢：制相比，有兩點優(yōu)勢：設備利用率高，因其平均功率與最大功率一樣。設備利用率高，因其平均功率與最大功率一樣。 抗干擾性能好。抗干擾性能好。第7章 頻率調制與解調 7.2 調頻器與調頻方法

8、調頻器與調頻方法 7.2.1 調頻器調頻器調頻特性：調頻特性：調頻器的調制特性。調頻器的調制特性。調頻特性曲線。調頻特性曲線。調頻特性的要求：調頻特性的要求：調制特性線性要好。調制特性線性要好。 調制靈敏度要高。調制靈敏度要高。 載波性能要好。載波性能要好。 第7章 頻率調制與解調 7.3 調頻電路調頻電路(frequency modulation circuit)調頻電路調頻電路：直接調頻電路直接調頻電路和和間接調頻電路間接調頻電路。直接調頻電路直接調頻電路：變容二極管（變容二極管（varactor diode）直直接調頻電路接調頻電路；晶體振蕩器直接調頻電路；晶體振蕩器直接調頻電路；張弛張

9、弛振蕩器（振蕩器（relaxation oscillator）直接調頻電路。直接調頻電路。間接調頻電路：間接調頻電路：變容二極管調相電路。變容二極管調相電路。 第7章 頻率調制與解調 7.3.1 直接調頻電路直接調頻電路 1.變容二極管直接調頻電路變容二極管直接調頻電路 1) 調頻原理調頻原理變容二極管變容二極管結電容結電容C Cj j與在其兩端所加與在其兩端所加反偏電壓反偏電壓u u之間存在著如下關系之間存在著如下關系: :C C0 0: :零偏時的結零偏時的結電電容值容值；u u: :勢壘電位差勢壘電位差。0(1)jCCuu（721） 第7章 頻率調制與解調 結電容變化指數(shù)結電容變化指數(shù)r

10、：由由PN結的雜質分布決定。結的雜質分布決定。緩變結：緩變結：1/3；突變結：突變結：1/2；超突變結：超突變結：15。 靜態(tài)工作點為靜態(tài)工作點為EQ時，變容二極管結電容：時，變容二極管結電容：0(1)jQQCCCEu（722） 第7章 頻率調制與解調 在變容二極管上加的調制信號電壓為在變容二極管上加的調制信號電壓為u(t)=Ucost，則：，則：( )cosQQuEutEUt（723） 第7章 頻率調制與解調 將式（將式（723）代入式（）代入式（721）, 得：得：m: 電容調制度，結電容隨調制信號調變的電容調制度，結電容隨調制信號調變的程度。程度。00cos(1)1(1cos)(1)(1

11、cos)jQQQQCCEUtuCEUtEuuCmt(724) 第7章 頻率調制與解調 2) 調頻性能分析調頻性能分析實際電路中實際電路中Cj可以作為可以作為回路總電容回路總電容，也可，也可部分部分接入接入。Cj為回路總電容為回路總電容。此時振蕩頻率為：。此時振蕩頻率為：/2/211( )(1cos)(1cos)cjQtmtmtLCLC第7章 頻率調制與解調 當當=2，則有：，則有：結論：結論：瞬時頻率瞬時頻率與與調制電壓調制電壓成正比成正比。達到。達到調頻的目的。調頻的目的。( )(1cos)( )cctmtt )()(tuuEwtwQc第7章 頻率調制與解調 全接入型缺點：全接入型缺點： 2

12、2，會產生非線性調制失真。，會產生非線性調制失真。振蕩頻率穩(wěn)定度不好：振蕩頻率穩(wěn)定度不好：C CQ Q決定決定中心頻率中心頻率，而，而C CQ Q隨隨溫度溫度、電源電壓的變化電源電壓的變化等外界因素的影等外界因素的影響很大。響很大。部分接入：部分接入：通過對通過對變容二極管變容二極管串并聯(lián)電容串并聯(lián)電容實現(xiàn)實現(xiàn)回路總電容回路總電容與與兩端電壓兩端電壓的特性關系調整。使的特性關系調整。使C Cu u之間的關系接近于之間的關系接近于當當=2。 ( (特性曲線特性曲線) )( (實際線路）實際線路）第7章 頻率調制與解調 2. 晶體振蕩器直接調頻電路晶體振蕩器直接調頻電路晶體振蕩器晶體振蕩器(cry

13、stal oscillator)：把可調電容：把可調電容C3由由變容二極管變容二極管替代。替代。主要主要目的目的：穩(wěn)頻穩(wěn)頻。 （實際線路）（實際線路）振蕩頻率：振蕩頻率： )(21 01CCCffLqq第7章 頻率調制與解調 優(yōu)點優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度高頻率穩(wěn)定度高。缺點缺點：工作頻段處于：工作頻段處于fq和和f0之間，且電容之間，且電容的串聯(lián)，的串聯(lián)，造成最大頻偏非常小。造成最大頻偏非常小。解決辦法：解決辦法：晶體支路串接小電感，可擴展工作頻率區(qū)域。晶體支路串接小電感，可擴展工作頻率區(qū)域。進行阻抗變換，實現(xiàn)擴展。進行阻抗變換，實現(xiàn)擴展。第7章 頻率調制與解調 3. 張弛振蕩器直接調頻電路張弛振蕩器

14、直接調頻電路張弛振蕩器張弛振蕩器(relaxation oscillator)：可實現(xiàn)可實現(xiàn)三角三角波波和和方波方波的調頻。的調頻。工作原理工作原理：兵分兩路：兵分兩路：恒流源產生電流恒流源產生電流I I，電流化電流化分分兩路兩路，一路為一路為I I，一路為一路為I I。勇闖南天門勇闖南天門：門（：門（壓控開關壓控開關）；看門）；看門人（人（電壓比較器電壓比較器輸出值輸出值u us s）。）。第7章 頻率調制與解調 修成正果：修成正果：正果（正果（三角波三角波 u uT T ） ?？撮T人：看門人： u uT T與比較器與比較器門限值門限值U1,U2U1,U2比較，比較，來決定來決定比較器輸出信

15、號比較器輸出信號u us s的的高電平高電平還是還是低低電平電平，從而決定是打開上邊的門，從而決定是打開上邊的門（a a：I I通過）通過）還是下面的門還是下面的門（b b：I I通過）通過）。電壓比較器：輸出為電壓比較器：輸出為方波方波u us s 。方波方波u us s，三角波，三角波 u uT T頻率與電流頻率與電流I I成正比成正比。 第7章 頻率調制與解調 當當有調制電壓有調制電壓時，時，調制信號調制信號控制恒流源發(fā)生控制恒流源發(fā)生器器，輸出電流為，輸出電流為I I+I I(t)(t)，且，且I I(t)(t)與調制信與調制信號成正比。號成正比。方波方波u us s，三角波，三角波u

16、 uT T的頻率就會隨著調制信號的頻率就會隨著調制信號線性變化線性變化，完成頻率的調制。，完成頻率的調制。I I對應的頻率對應的頻率為中心頻率。為中心頻率。 三角波調頻可以轉化為正弦波調頻。三角波調頻可以轉化為正弦波調頻。 sin2TomTuuUU第7章 頻率調制與解調 調制實現(xiàn)電路總結調制實現(xiàn)電路總結直接調頻三種辦法：直接調頻三種辦法：變容二極管，晶體振蕩器，變容二極管，晶體振蕩器，張馳振蕩器。張馳振蕩器。變容二極管：變容二極管：可分為可分為C Cj j作為作為回路總電容回路總電容和和回路回路部分電容部分電容兩種接入方法。兩種接入方法。頻率穩(wěn)定相對較差頻率穩(wěn)定相對較差。晶體振蕩器：晶體振蕩器

17、：頻率穩(wěn)定好，但最大頻偏小。頻率穩(wěn)定好，但最大頻偏小。張馳振蕩器張馳振蕩器：可實現(xiàn)方波、三角波調頻。：可實現(xiàn)方波、三角波調頻。第7章 頻率調制與解調 7.4 鑒頻器與鑒頻方法鑒頻器與鑒頻方法 7.4.1 鑒頻器鑒頻器角調波的解調：角調波的解調：從從角調波角調波中中恢復恢復出出原調制信號原調制信號的的過程。過程。鑒頻器鑒頻器(frequency demodulation, FD）：調頻波的解調：調頻波的解調電路，功能：將電路，功能：將調頻波的瞬時頻率調頻波的瞬時頻率f變換為相應的變換為相應的解調輸出電壓解調輸出電壓uo。第7章 頻率調制與解調 鑒相器鑒相器(phase demodulation,

18、 PD)：調相波的解調電路。：調相波的解調電路。鑒頻特性鑒頻特性：變換器的變換特性。變換器的變換特性。峰值帶寬峰值帶寬Bm：鑒頻特性曲線的頻率間隔。反映鑒頻特性曲線的頻率間隔。反映鑒頻線鑒頻線性度。性度。鑒頻跨導鑒頻跨導SD：鑒頻特性在載頻處的鑒頻特性在載頻處的斜率斜率，又稱，又稱鑒頻靈鑒頻靈敏度敏度。反映輸入頻率轉換為輸出電壓的能力。反映輸入頻率轉換為輸出電壓的能力。第7章 頻率調制與解調 7.4.2 鑒頻方法鑒頻方法鑒頻方法：鑒頻方法：直接鑒頻方法直接鑒頻方法和和間接鑒頻方法間接鑒頻方法。直接鑒頻法：直接提取，脈沖計數(shù)式鑒頻法。直接鑒頻法：直接提取，脈沖計數(shù)式鑒頻法。間接鑒頻法：先進行各種

19、變換，再提取。間接鑒頻法：先進行各種變換，再提取。波形變波形變換換，鎖相環(huán)解調，鎖相環(huán)解調，調頻負反饋解調調頻負反饋解調以及以及正交鑒頻正交鑒頻。第7章 頻率調制與解調 1. 直接脈沖計數(shù)式鑒頻法直接脈沖計數(shù)式鑒頻法 脈沖計數(shù)式鑒頻器脈沖計數(shù)式鑒頻器：信號頻率就是信號電壓或信號頻率就是信號電壓或電流波形單位時間內過零點電流波形單位時間內過零點(或零交點或零交點)的次數(shù)，的次數(shù)， 又稱零交點鑒頻器又稱零交點鑒頻器。對于脈沖或數(shù)字信號，信對于脈沖或數(shù)字信號，信號頻率就是信號脈沖的個數(shù)。號頻率就是信號脈沖的個數(shù)。實現(xiàn)原理實現(xiàn)原理：對調頻信號實施限幅放大；對調頻信號實施限幅放大；微分，半波整流、單穩(wěn)處

20、理形成脈沖波。微分，半波整流、單穩(wěn)處理形成脈沖波。對脈沖波直接計數(shù)或通過低通濾波實現(xiàn)電壓的解調。對脈沖波直接計數(shù)或通過低通濾波實現(xiàn)電壓的解調。 第7章 頻率調制與解調 圖圖71 調頻波波形調頻波波形第7章 頻率調制與解調 圖圖72 調頻波調頻波fm、mf與與F的關系的關系 Ffmmf0fmmf第7章 頻率調制與解調 圖圖74 單頻調制時單頻調制時FM波的振幅譜波的振幅譜（a）為常數(shù)為常數(shù);（b）m為常數(shù)為常數(shù) 第7章 頻率調制與解調 （718） 圖圖78 調相波調相波fm、mp與與F的關系的關系 Ffmmp0fmmp第7章 頻率調制與解調 圖圖77 調相波波形調相波波形第7章 頻率調制與解調

21、圖圖71 調頻波波形調頻波波形第7章 頻率調制與解調 表表71 調頻波與調相波的比較表調頻波與調相波的比較表 第7章 頻率調制與解調 圖圖710 調頻特性曲線調頻特性曲線 U0f第7章 頻率調制與解調 圖圖712 變容管的變容管的Cju曲線曲線 0Cj21/31/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468第7章 頻率調制與解調 圖圖713 變容管作為回路總電容全部接入回路變容管作為回路總電容全部接入回路 Rb2Rb1ReEcCcLCcVDuEQCbLcCjL(a)(b)Cc第7章 頻率調制與解調 圖圖714 變容管線性調頻原理變容管線性調頻原理第7章 頻率調制與解調 圖圖715 Cj與固定電容串、并聯(lián)后的特性與固定電容串、并聯(lián)后的特性 C/pF7060502010510.10.5125u/VC1CjC2第7章 頻率調制與解調 圖圖716 變容二極管直接調頻電路舉例變容二極管直接調頻電路舉例 （a）實際電路）實際電路;（b）等效電路）等效電路 1000 pF4.3